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Cell Metabolism重磅：睡眠不足致癌，脂肪酸氧化为幕后推手

生信人 · 公众号 · 生物 · 2024-12-23 07:00

正文

昼夜节律紊乱是现代生活方式的一个显着特征。越来越多的证据表明，昼夜节律紊乱预示着癌症预后不佳，但睡眠不足（SD）如何促进癌症发展仍不清楚。今天，小编要和大家分享一篇2024年5月发表在Cell Metabolism（IF：29）上的文章，揭示了脂肪酸氧化（FAO）作为一种昼夜节律传感器，将SD与肺部肿瘤的发生联系起来，并为患有SD相关癌症的患者提供了一种很有前途的β-内啡肽时间治疗策略。

图1.脂肪酸氧化感知睡眠不足引起的昼夜节律紊乱以增强肿瘤发生

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一、背景介绍

昼夜节律通过环境明暗周期、行为进食-禁食和睡眠-觉醒周期来同步，以维持生理稳态。睡眠不足会扰乱昼夜节律，引发多种病理过程，包括免疫功能障碍、代谢紊乱，甚至过早死亡。越来越多的证据表明，SD会刺激肿瘤生长、癌症转移和免疫逃逸。此外，哺乳动物的新陈代谢具有昼夜节律性的特点。在癌症进展过程中，昼夜节律紊乱会改变许多代谢过程的振荡，包括葡萄糖、谷氨酸、胆汁酸和脂质代谢。然而，代谢重连如何感知节律破坏以决定 SD 增强的癌症发展仍不清楚。

二、主要结果

1.FAO感受SD下的昼夜节律紊乱

为了检查SD对肺生理节律的影响，作者分析了对照（Ctrl）和SD治疗4周的C57BL/6J小鼠肺组织的转录组和代谢组（图1A）。RNA-seq结果显示3,284个基因在SD 处理后失去了昼夜振荡，对这些昼夜节律紊乱基因的基因本体（GO）分析揭示了脂质代谢相关生物过程的富集，特别是在FAO中（图1D）。

为了进一步研究SD对FAO节律的影响，作者对Ctrl和SD小鼠的肺组织进行了时程UHPLC-MS分析，发现SD肺中有47脂质代谢物的振荡，其中游离脂肪酸（FFA）所占比例最大（图 1G）。这些数据表明，FAO在基因表达和代谢功能水平上感知到 SD 引起的生理条件节律破坏（图 1J）。

图2. FAO感知SD下的昼夜节律紊乱

2.FAO节律破坏维持SD诱导的肺癌干细胞性

接下来，作者研究了SD诱导的FAO节律破坏是否在肺癌的发展中发挥作用。首先，作者通过气管内腺相关病毒 (AAV)-绿色荧光蛋白 (GFP)-Cre 注射手术诱导 Kras LSL-G12D/WT小鼠肺部肿瘤，注射后2天对小鼠进行Ctrl或SD处理。最后显微计算机断层扫描、H&E以及IHC结果显示SD促进了肺肿瘤形成和发展。

作者进一步对 Kras LSL-G12D/WT小鼠的肺肿瘤进行了转录组测序，发现827个基因被SD显着上调。GO分析显示，这些SD上调的基因很大程度上属于脂肪酸代谢过程，尤其是FAO（图2H），这与无肿瘤生理条件下一致。

肺部肿瘤的脂质代谢组分析一致表明，SD治疗后脂肪酰肉碱(FA-肉碱)增加，FFA减少（图 2I）。此外，FAO的最终产物，包括乙酰辅酶A和ATP，在KrasLSL-G12D/WT 肺癌中增加（图 S2I 和 S2J）。总体而言，这些数据表明，FAO在多种肺癌模型中感受到了SD诱导的基因表达和代谢节律破坏。

为了证实FAO介导SD诱导的肿瘤发生和癌症干性，作者将FAO抑制剂依托莫克西（ETO）递送给接受SD的KrasLSL-G12D/WT小鼠，逆转了SD增强的肿瘤发生（图 2L）。此外，对连续稀释的 LLC1原代肿瘤细胞进行再植入测定、极限稀释分析(ELDA)和二次球体形成实验均表明，FAO感应昼夜节律紊乱是SD增强肺癌干细胞性的基础（图 2O）。

图3. FAO节律破坏维持SD诱导的肺癌干细胞性

3.ACSL1合成的PA-CoA有助于SD增强肺癌干细胞样特征

接下来，作者确定了SD诱导的FAO节律破坏的关键分子。通过比较 WT C57BL/6J小鼠肺组织中昼夜节律被破坏的FAO基因和 KrasLSL-G12D/WT小鼠肺肿瘤中上调的FAO基因，再结合RT-qPCR和WB验证，作者确定了ACSL1是与SD引起的致癌FAO节律破坏最相关的基因（图3A-D）。

为了证实ACSL1在SD增强的肺肿瘤发生和癌症干性中的作用，作者建立了 KrasLSL-G12D/WT Acsl1fl/fl 小鼠并通过气管内注射AAV-GFP-Cre诱导肺癌和Acsl1 缺陷 (A1 −/−）（图3E）。结果表明，Acsl1 的消融逆转了SD促进的肺癌进展以及乙酰辅酶A和ATP的增加。

为了确定ACSL1在SD条件下促进肺癌干性的代谢物，作者分析了可能充当 ACSL1底物和产物的长链（12-20 个碳）FAO 代谢物，发现人体内最主要的饱和脂肪酸PA及其代谢物PA-CoA介导了S条件下肺部肿瘤的发生。机制上，SD 扰乱了ACSL1节律，从而过度激活其将 PA转化为 PA-CoA 的能力，进一步激发了FAO 促进肺肿瘤生长和干细胞样特征（图 3O）。

图4. ACSL1合成的PA-CoA有助于SD增强肺癌干细胞样特征

4.ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常以增强肺部肿瘤发生

接下来，作者的目的是确定 SD 扰乱 ACSL1 节律以促进肺部肿瘤发生的机制。作者通过沉默多个核心时钟基因，筛选出了转录调节ACSL1表达的CLOCK蛋白。

图5. ACSL1感知SD诱导的CLOCK心律失常以促进肺部肿瘤发生

5.ACSL1通过抑制泛素化依赖性降解来稳定CLOCK蛋白

作者进一步研究了在SD引起的昼夜节律紊乱下维CLOCK持续高水平的机制。有趣的是，ACSL1的敲除反过来又降低了CLOCK蛋白水平，而不影响CLOCK mRNA水平，这表明 ACSL1 在维持 CLOCK 蛋白稳定性方面发挥着关键作用。由于ACSL1催化的PA-CoA 作为蛋白质棕榈酰化的底物，作者进一步探索并证实了ZDHHC介导了CLOCK S-棕榈酰化棕榈酰化，CLOCK S-棕榈酰化通过抑制蛋白酶体降解来抑制泛素化以维持CLOCK稳定性（图 5）。

图6. ACSL1通过抑制泛素化依赖性降解来稳定CLOCK蛋白

6.β-内啡肽可恢复SD扰乱的CLOCK/ACSL1节律，从而改善肺癌干性

由于睡眠失调会扰乱内分泌振荡，因此激素节律异常在SD相关癌症中起着至关重要的作用。作者进一步从14种与睡眠相关的激素中筛选出β-内啡肽（Endor）能够显着下调CLOCK和ACSL1 mRNA在肺癌细胞系 NCI-H460 中的表达（图 6A）。作者随后在小鼠模型上验证了Endor 的时间药理学补充可挽救Endor、CLOCK和ACSL1的SD扰乱节律，从而呈现出有希望的抗肿瘤作用。

图7. β-内啡肽振荡的恢复可恢复SD扰乱的CLOCK/ACSL1节律

7.肺癌患者睡眠质量和β-内啡肽水平与CLOCK/ACSL1表达及不良预后呈负相关

为了评估作者研究结果的转化潜力，作者进行了前瞻性和回顾性研究（图7A）。在前瞻性研究中，招募了肺癌患者，以研究血清 Endor 水平、睡眠质量和肺癌发展之间的临床相关性。结果显示Endor 和睡眠质量之间存在正相关，并表明血清Endor水平是癌症发展的潜在预测因素。

为了评估肺癌患者血清Endor、生化参数和预后因素之间的相关性，作者对62例既往肺癌病例进行了回顾性分析。结果表明SD、Endor、CLOCK和ACSL1可能是肺癌的独立预后因素。

图8. 肺癌患者的睡眠质量和β-内啡肽水平与CLOCK/ACSL1表达和不良预后呈负相关

三、结论

在本研究中，作者通过对表明，FAO 感知到昼夜节律紊乱会加剧 SD下的肺部肿瘤发生。此外，SD扰乱了核心昼夜节律基因CLOCK的节律振荡，导致ACSL1 过度反式激活，加速了FAO增强癌症干性和肿瘤生长。作为正反馈，ACSL1合成的PA-CoA在Cys194处诱导ZDHHC5介导的CLOCK S-棕榈酰化，从而通过抑制泛素蛋白酶体降解来稳定CLOCK蛋白。β-内啡肽节律的恢复可恢复受损的CLOCK和ACSL1振荡，从而逆转SD促进的FAO紊乱和癌症干性。

总而言之，作者的研究结果表明，FAO是一种昼夜节律感应机制，将SD与肺部肿瘤的发生联系起来，并为患有SD相关癌症的患者提供了一种很有前途的β-内啡肽时间治疗策略。

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